Selvitys keskijänniteverkon maadoitusjärjestelmistä

Sähkötekniikan laitos A. Mäkinen Selvitys keskijänniteverkon maadoitusjärjestelmistä Tampere 216

Selvitys keskijänniteverkon maadoitusjärjestelmistä Tampere: Tampereen teknillinen yliopisto, 216 Raportti / Tampereen teknillinen yliopisto, Sähkötekniikan laitos

1 Alkusanat Tämä raportti esittelee Maadoitusjärjestelmät hankkeeseen Tampereen teknillisen yliopiston (TTY) Sähkötekniikan laitoksella tehdyn selvitystyön keskeisiä tuloksia. TTY:n osuuteen rahoitusta on saatu Sähkötutkimuspoolilta, Sähköturvallisuuden edistämiskeskus STEK ry:ltä ja Energiateollisuus ry:ltä. Projektin ohjausryhmään kuuluivat: Tommi Lähdeaho, Elenia Oy, puheenjohtaja Jussi Antikainen, Savon Voima Verkko Oy Kalle Sato, Caruna Oy Rauno Ristimäki, Caruna Oy Jussi Niskanen, Loiste Sähköverkko Oy Jenny Martiskainen, Loiste Sähköverkko Oy Tuomo Hakkarainen, Kymenlaakson Sähköverkko Oy Asmo Karvinen, Kymenlaakson Sähköverkko Oy Tuomas Åhlman, Vantaan Energia Sähköverkot Oy Juha-Pekka Laitinen, Headpower Oy Eero Saarijärvi, Trimble Arto Nieminen, Suur-Savon Sähkötyö Oy Eero Puoskari, PKS Sähkönsiirto Oy Pertti Lindberg, Energiateollisuus ry Esa Niemelä, Energiateollisuus ry, sihteeri Jussi Välimäki, Vantaan Energia Sähköverkot OY Rauno Järviluoma, Inspecta Oy Kaikki projektiin osallistuneet ovat ansainneet lämpimät kiitokset hyvästä yhteistyöstä. Tampereella Antti Mäkinen projektipäällikkö

2 SISÄLLYS Alkusanat... 1 Sisällys... 2 1. Johdanto ja tutkimusongelman kuvaus... 3 2. Maadoitusjärjestelmien perusteita ja teoriaa... 5 2.1 Maadoittamiseen liittyviä määritelmiä... 5 2.2 Maadoituselektrodien potentiaalit homogeenisessa maaperässä sekä maadoitusresistanssien ja -impedanssien määrittäminen... 7 3. Maadoitusjärjestelmien kuvaukset... 1 4. Maadoitusverkkojen mallinnus ja laskentaperiaatteet käytännössä... 12 4.1 Verkkomallit PSCAD simuloinneissa... 12 4.2 Laskentamallit Excel tai Matlab pohjaisena... 13 5. Tyyppikohteet: Haja-asutusalue, Kylä-taajama ja Taajama... 14 6. Maadoitusjärjestelmien simulointi- ja laskentatuloksia... 17 6.1 Laskenta-asetelman periaatteita ja johdattelevia laskelmia... 17 6.2 Haja-asutusalueen laskentatuloksia... 19 6.3 Kylä-taajamien laskentatuloksia... 22 6.4 Taajamien silmukoidut verkot... 24 6.5 11 kv vikavirtojen huomiointi... 28 7. Johtopäätökset... 31 8. Yhteenveto... 33 Lähdeluettelo... 34 Liite 1 Maadoitusmittausaineistoa... 35 Liite 2 Kaapeloinnin maadoitettujen osien (itse)reaktanssin määrittäminen... 36

3 1. JOHDANTO JA TUTKIMUSONGELMAN KUVAUS Tämä raportti esittelee Maadoitusjärjestelmät hankkeeseen Tampereen teknillisen yliopiston (TTY) Sähkötekniikan laitoksella tehdyn selvitystyön keskeisiä tuloksia. Maadoitusjärjestelmät hankkeen taustana on ollut: Sähköverkkoinvestoinnit ovat voimakkaassa kasvussa o Maadoitusverkon rakenne muuttuu, kun maakaapeleita asennetaan myös taajamien ulkopuolella o Maadoitusten laajamittainen yhdistyminen keskijännitekaapeleiden kautta haja-asutusaluemaisessa verkossa on uusi asia ja yleistyy tulevaisuudessa Standardin SFS 61 Suurjännitesähköasennukset [1] uusimisen yhteydessä havaitut epäselvyydet maadoitusjärjestelmissä Aalto-yliopistolla oli teetetty tutkimus siirtyvistä jännitteistä vuonna 214. Tehtävänä oli tarkastella millaisia kosketusjännitteitä keskijännitejakeluverkon maasulun aikana voi asiakkaille siirtyä ja millaisen riskin nämä jännitteet voivat aiheuttaa. Energiateollisuus ry:n verkko-omaisuustoimikunta esitti syksyllä 214 tutkimushankkeen käynnistämistä. Rahoitusta järjestyi Sähkötutkimuspoolilta, Sähköturvallisuuden edistämiskeskus STEK ry:ltä ja Energiateollisuus ry:ltä. Ohjausryhmä järjestäytyi ja Tampereen teknilliseltä yliopistolta (TTY) tilattu tutkimustyö käynnistyi vuoden 215 aikana. Seuraavanlaisia tutkimustarpeita oli tunnistettu: 1. Erilaisten maadoitusjärjestelmien määrittely a. laaja maadoitusjärjestelmä b. haja-asutusalueen yhdistyvä maadoitusjärjestelmä huomioiden myös haarautuvat ketjut c. pistemäinen maadoitusjärjestelmä 2. Maadoitusjärjestelmän rakenne: a. Millä edellytyksin maadoitusjärjestelmää voidaan pitää yhtenä kokonaisuutena? b. Onko olemassa jokin tietty sähköinen etäisyys, minkä ylityttyä maadoitusjärjestelmää ei voi enää tarkastella yhtenä kokonaisuutena? c. Mistä komponenteista maadoitusjärjestelmät rakenteellisesti muodostuvat? 3. Eri maadoitusjärjestelmien sähkötekninen mallintaminen ja järjestelmiin liittyvien turvallisuusriskien analysointi 4. Maapotentiaalin jakautumisen mallintaminen erityyppisissä maadoitusolosuhteissa 5. Erilaisten mittausmenetelmien soveltuminen ja soveltuvuus erityyppisissä maadoitusjärjestelmissä 6. Mikä olisi tarkoituksenmukaisin tapa varmentaa erityyppisten maadoitusjärjestelmien eheys ja miten käyttöönotto- ja määräaikaismittaukset olisi tarkoituksenmukaista tehdä.

4 7. Onko käytönvalvontajärjestelmällä mahdollista joka tilanteessa todentaa maadoitusketjun katkeaminen? (ts. onko aina ketjun katketessa kyseessä kaapeli-, jatko- tai päätevika) 8. Onko aiheeseen liittyvää kansainvälistä tutkimusaineistoa olemassa? 9. Millainen on eri maadoitusjärjestelmien turvallisuustaso SFS 61 standardin mukaisesti toimittaessa? TTY:ssä tehtävän tutkimustyön prioriteeteiksi määriteltiin alkuvaiheessa: Erilaisten keskijänniteverkon maadoitusratkaisuiden sähkötekninen mallintaminen teoreettisesti ja simulointiympäristöissä Vikavirtojen ja maadoitusjännitteiden jakautuminen erityyppisissä maadoitusolosuhteissa Keskijänniteverkon vikatilanteiden lisäksi myös sähköasemalla ja suurjänniteverkosta johtuvien vikavirtojen huomioiminen Esimerkkitarkastelut erilaisilla verkoilla ja maadoitusratkaisuilla Keskeisiksi tarkastelukohteiksi arvioitiin: Yhtenäiseksi kokonaisuudeksi tulkittavan maadoitusjärjestelmän laajuus Laskennallinen maadoitusjärjestelmän impedanssi Maadoitusjärjestelmän kriittiset solmupisteet (mittauspisteet) Ydinkysymyksenä on tarkastella keskijänniteverkon yhdistyvien maadoitusten vaikutuksia resultoiviin maadoituksiin. Vuonna 216 painopisteen haluttiin siirtyvän kenttämittauksiin, joilla teoreettisten tarkastelujen tuloksia pyrittäisiin todentamaan.

5 2. MAADOITUSJÄRJESTELMIEN PERUSTEITA JA TEORIAA Tässä luvussa esitetään lyhyesti maadoituksiin liittyviä peruskäsitteitä ja perusteoriaa. Standardi SFS 61 Suurjännitesähköasennukset esittää kriteerit maadoitusjärjestelmän suunnittelulle, asennukselle, testaamiselle ja kunnossapidolle siten, että se toimii kaikissa tilanteissa ja varmistaa henkilöiden turvallisuuden kaikissa paikoissa, joihin henkilöiden pääsy on sallittu. Se esittää myös kriteerit, joilla varmistetaan, että maadoitusjärjestelmään liitettyjen ja sen lähellä olevien laitteiden eheys säilyy. [1] Standardin laajamittaista referointia ei ole katsottu tässä yhteydessä tarpeelliseksi. Tarvittaessa kannattaa perehtyä standardin alkuperäiseen tekstikokonaisuuteen. 2.1 Maadoittamiseen liittyviä määritelmiä Seuraavassa on esitetty joitakin oleellisia maadoituksiin liittyviä käsitteitä ja standardissa SFS 61 [1] käytettyjä määritelmiä. (Paikallinen) Maa on maadoituselektrodiin yhteydessä oleva maan johtava osa, jonka potentiaali ei välttämättä ole nolla. Huom. Maaplaneetan johtavan massan potentiaalin on sovittu missä tahansa paikassa olevan nolla. Referenssimaa (neutraalimaa) (kaukana oleva maa) on maan johtava osa, jonka sähköiseksi potentiaaliksi missä tahansa kohdassa on sovittu nolla, ja joka on kaikkien tarkasteltavien maadoitusjärjestelmien vaikutusalueen ulkopuolella. Maadoituselektrodi on maahan sähköisessä yhteydessä oleva johtava osa, joka voi olla upotettu johtavaan väliaineeseen, esim. betoniin tai koksiin. Maadoitusjärjestelmä on standardin SFS 61 mukaan liitäntöjen ja laitteiden järjestelmä, joka on välttämätön laitteiden tai järjestelmän maadoittamiseksi yhdessä tai erikseen. Maadoitusjärjestelmän sähköiset ominaisuudet riippuvat oleellisesti seuraavista parametreista: Maadoitusimpedanssi ja resistanssi Maadoituselektrodien ja maadoitusjärjestelmien rakenne

6 Maadoitusimpedanssi on järjestelmän tai asennuksen määrätyn kohdan ja neutraalimaan välinen impedanssi annetulla taajuudella. Resultoiva maadoitusimpedanssi on sellaisen maadoitusjärjestelmän maadoitusimpedanssi, jossa on liitetty yhdistysjohtimilla toisiinsa kaksi tai useampia maadoituselektrodeja. Huomautus: Em. määritelmää ei ole löydetty standardeista. Maadoitusresistanssi on maadoitusimpedanssin reaaliosa. Maasulkuvirta on virta, joka kulkee pääpiiristä maahan tai maadoitettuihin osiin vikakohdassa (maasulkukohdassa). Maavirta on maadoitusimpedanssin kautta maahan kulkeva virta. Maavirta on se osa maasulkuvirtaa, joka aiheuttaa maadoitusjännitteen. Reduktiokerroin on kolmivaihejohdon kerroin r, joka on maavirran suhde päävirtapiirin vaihejohtimien nollavirtojen summaan pisteessä, joka sijaitsee kaukana oikosulkupaikalta ja asennuksen maadoitusjärjestelmästä. Maadoitusimpedanssi ja resistanssi yhdessä virran kanssa vaikuttavat syntyvään maadoitusjännitteeseen. Maadoitusjännite on maadoitusjärjestelmän ja referenssimaan välinen jännite. - Osa maadoitusjännitteestä voi esiintyä vaarajännitteenä kosketus- tai askeljännitteen muodossa. Standardissa SFS 61 esitetään vaatimukset ja toimenpiteet vaarojen välttämiseksi. (Tehollinen) kosketusjännite on samanaikaisesti kosketeltavissa olevien johtavien osien välinen jännite. Huom. Kosketusjännitteen arvoon voi vaikuttaa huomattavasti johtaviin osiin sähköisessä yhteydessä olevan henkilön impedanssi. Askeljännite on kahden toisistaan 1 metrin (oletettu askelpituuden mitta) etäisyydellä olevan maanpinnan pisteen välinen jännite. Laaja maadoitusjärjestelmä on yhtenäinen maadoitusjärjestelmä, joka on toteutettu kytkemällä yhteen paikalliset maadoitusjärjestelmät. Yhteen kytkettyjen paikallisten maadoitusjärjestelmien läheisyys varmistaa sen, ettei vaarallisia kosketusjännitteitä esiinny.

7 2.2 Maadoituselektrodien potentiaalit homogeenisessa maaperässä sekä maadoitusresistanssien ja -impedanssien määrittäminen 2.2.1 Palloelektrodi maan pinnassa [2] Jos maadoituselektrodi sijaitsee maan pinnassa tai lähellä sitä, sanotaan elektrodin virran aiheuttaman ympäristön potentiaalin vaihtelun muodostavan tietyn muotoisen jännitesuppilon. Kuvassa 2.1 on palloelektrodi puolittain maahan upotettuna. Elektrodin potentiaali V ja maadoitusresistanssi Re saadaan yhtälöistä r I V = ds = 2 2p s r r I 2p r (2.1) ja r R e =, (2.2) 2p r missä ρ on maan resistiivisyys I on elektrodiin viety virta s on vaakasuora etäisyys elektrodin keskipisteestä r on elektrodin säde. Kuva 2.1. Palloelektrodi maan pinnassa Jännitesuppilon muoto elektrodin ympäristössä saadaan sijoittamalla yhtälöön 2.1 säteen r sijalle vaakasuora etäisyys s elektrodin keskipisteestä ja vaihtelemalla sitä välillä r. Kuvassa 2.2 on esitetty esimerkki potentiaalin muotoutumisesta.

8 Suhteellinen potentiaali % Suhteellinen potentiaali eri etäisyyksillä elektrodin keskipisteestä.9 1.8.7.6.5.4.3.2.1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2 Etäisyys elektrodin keskipisteestä jaettuna elektrodin säteellä Kuva 2.2. Esimerkki potentiaalin kohoamisesta suhteessa referenssimaahan. Monen muun rakenteeltaan toisenlaisen maadoituselektrodin jännitesuppiloa voidaan yleisesti approksimoida maan pinnassa sijaitsevan palloelektrodin jännitesuppilolla, jos tarkastellaan potentiaalia elektrodin lähialueen ulkopuolella. 2.2.2 Kaksi samanlaista palloelektrodia maan pinnassa [2] Kuvassa 2.3 on kaksi palloelektrodia puolittain maahan upotettuna. Maan resistiivisyys on ρ. Kuva 2.3. Kaksi palloelektrodi maan pinnassa Oletetaan, että elektrodien välinen etäisyys a >> r. Palloelektrodin 1 kokonaispotentiaali V1 maan pinnassa saadaan summaamalla elektrodin 1 virran aiheuttama potentiaali ja elektrodin 2 virran aiheuttama lisäpotentiaali V12. V = V 1 11 + V 12 r I 2 r I 2 r I 1 1 = + = + 2p r 2p a 4p Ł r a ł (2.3) Jännitesuppilon muoto saadaan määrittämällä elektrodien ympäristön pisteiden potentiaaleja: V s r I 1 1 = +, (2.4) 4p Ł s1 s2 ł missä s1 on tutkittavan pisteen etäisyys maan pinnan tasossa elektrodista 1 s2 on tutkittavan pisteen etäisyys maan pinnan tasossa elektrodista 2

9 Symmetriasyistä on elektrodin 2 kokonaispotentiaali V2 = V1. Kahden maan pinnassa sijaitsevan palloelektrodin muodostaman järjestelmän maadoitusresistanssiksi saadaan R r 1 == + 1 e 4p Ł r a ł (2.5) 2.2.3 Yhdistetyt maadoitusjärjestelmät Kuvassa 2.4 on kaksi toisiinsa galvaanisesti yhdistettyä maadoituselektrodia puolittain maahan upotettuna. Potentiaali V 1 VirtaI I 1 Z 12 r 1 r 2 a 21 I 2 Maan pinta Maan resistiivisyys = Kuva 2.4. Yhdistetyt maadoituselektrodit Oletetaan, että elektrodien keskipisteiden välimatka a21 >> elektrodien säteet r1 ja r2. Z12 on elektrodien välisen galvaanisen yhteyden impedanssi. Elektrodin 1 potentiaali maan pinnalla = virran I1 aiheuttama potentiaali V11 + virran I2 aiheuttama lisäpotentiaali V12: + + (2.6) missä ρ on maan resistiivisyys R1 on maadoituksen 1 resistanssi I1 ja I2 ovat elektrodeihin syötetyt virrat a21 on vaakasuora etäisyys elektrodien keskipisteiden välillä ovat elektrodien säteet. r1 ja r2 Samalla periaatteella voidaan menetellä useampienkin elektrodien välillä. Sisällyttämällä mallinnukseen maadoitusjärjestelmän kaikki maadoitusresistanssit ja verkon impedanssien kytkeytymiset sekä ratkaisemalla muodostettavat piiriyhtälöt saadaan resultoiva kokonaismaadoitusimpedanssi jakamalla summattu potentiaali kokonaisvirralla.

1 3. MAADOITUSJÄRJESTELMIEN KUVAUKSET Maadoitusjärjestelmä koostuu yleensä useista vaaka-, pysty- tai vinoelektrodeista, jotka on kaivettu tai lyöty maahan. Yhdessä kohdassa voi olla yhdistettynä galvaanisesti useita maadoituselektrodeja muodostaen paikallisen maadoitusjärjestelmän. Kaapeliverkossa kaapelien kosketussuojat ja mahdolliset kaapelien keskusköydet ja muut maadoitusjohtimet muodostavat galvaanisia yhteyksiä eri maadoitusten välille. Tällöin muodostuu ketjuuntuneita ja myös silmukoita sisältäviä verkkomaisia laajempia maadoitusjärjestelmiä. Pistemäisen maadoituksen muodostaa yksi maadoituselektrodi tai maadoituselektrodit, jotka ovat lyhyitä ja sijaitsevat lähellä toisiaan. Muuntamon keskijännitepuolen suojamaadoitus ja muuntopiirin pienjänniteverkon maadoitukset yhdistetään lähes aina. Standardin SFS 61 mukaan laajat maadoitusjärjestelmät mahdollistavat maasulkuvirtojen jakautumisen siten, että paikallisen maadoitusjärjestelmän potentiaalin nousu pienenee. Järjestelmän voidaan sanoa muodostavan näennäisen tasapotentiaalipinnan. Laajan maadoitusjärjestelmän olemassaolo voidaan todeta mittauksin tai laskennallisesti tyypillisten järjestelmien tapauksessa. Tyypillisiä esimerkkejä laajasta maadoitusjärjestelmästä ovat kaupunkien keskustat sekä kaupunki- ja teollisuusalueet, joilla on hajautettu suur- ja pienjännitemaadoitus. [1] Laajan maadoitusjärjestelmän ulkopuolella olevien asennusten maadoitusresistanssit on laskettava tai mitattava järjestelmällisesti (mittausmenetelmien yksityiskohdat on esitetty standardin SFS 61 liitteessä L) ja maadoitusjännite laskettava tai mitattava. Kosketusjännitteiden tarkistukset on tarvittaessa tehtävä mittauksin tai laskelmin. Laajan maadoitusjärjestelmän sisäpuolella maadoitusjärjestelmän perussuunnitelma on riittävä, eikä maadoitusresistanssin tai maadoitusjännitteen todentaminen ole tarpeen. [1]

11 Maadoitusimpedanssi määritetään ottaen huomioon suoraan kytketyt maadoituselektrodit ja myös maahan yhdistetyt ilmajohtojen ukkosjohtimet ja maadoitukset, maadoituselektrodeina toimivat maakaapelit ja muut maadoitusjärjestelmät, jotka kytkeytyvät asianomaiseen maadoitusjärjestelmään johtavien kaapelivaippojen, kosketussuojien ja PEN-johtimien välityksellä tai muulla tavalla. [1] Tämän hankeosion taustalla olleen tutkimussuunnitelman mukaan SFS 61 standardin uusimisen yhteydessä on noussut esille sähkönjakeluverkon erityyppiset maadoitusjärjestelmät ja erityisesti ketjuuntuneet maadoitukset, joissa maakaapeliverkon muuntopiirien maadoitukset yhdistyvät toisiinsa keskijännitekaapeleiden suojajohtimien ja/tai erillisten maadoitusjohtimien kautta. Maadoitusten ketjuuntuminen on yleistymässä juuri nyt, kun yhtiöt eivät enää kaapeloi pelkästään kaupunkien keskustoissa, vaan myös taajamissa ja haja-asutusalueilla. Toisaalta tilanne eroaa perinteisestä haja-asutusalueen säteittäisen ilmajohtoverkon maadoitusrakenteesta. Muuntopiirien maadoitukset eivät ole pistemäisesti erillään toisistaan niin kuin ilmajohtoverkossa, vaan niillä on galvaaninen kontakti toisiinsa maakaapeleiden suojajohtimien ja/tai erillisten maadoitusjohtimien kautta. Ketjuuntuneiden maadoitusten kohdalla tilanne poikkeaa laajasta maadoitusverkosta siinä määrin, että maadoitukset eivät muodosta verkkomaista usean eri reitin kautta yhdistynyttä rakennetta ja muuntopiirien välimatkat vaihtelevat tiheistä taajamaverkoista usean kilometrin etäisyyksiin haja-asutusalueella.

12 4. MAADOITUSVERKKOJEN MALLINNUS JA LASKENTAPERIAATTEET KÄYTÄNNÖSSÄ Maadoitusverkkojen laskentaperiaatteet pohjautuivat tässä selvityksessä luvussa 2 esitettyihin mallinnuksiin Maadoitusverkkojen mallinnuksessa lähtötietoja olivat: Solmupisteiden mitatut ja/tai tavoitteelliset maadoitusresistanssit Solmupisteiden välisten (kaapeli)yhteyksien pituudet ja kaapelilajit Kaapelityyppien ja maapiirien impedanssiarvot Kaapelityyppien geometriset ym. mallinnusparametrit Maadoitusten väliset maantieteelliset etäisyydet Maaperän resistiivisyys 4.1 Verkkomallit PSCAD simuloinneissa PSCAD-ympäristön yksinkertaistetusta verkkomallista on esimerkki kuvassa 4.1. Verkko on siinä mallinnettu solmupisteiden välisinä impedanssiarvoina ja maadoitusresistansseina. Lisäpotentiaalien mallinnus on tehty lisäämällä kunkin maadoituksen yhteyteen jännitelähde, jonka jännite riippuu kaikkien muiden maadoitusten virroista. Verkkoon syötetään haluttuun solmuun virtaa. Virran ja sen aiheuttaman maadoitusjännitteen pohjalta lasketaan resultoiva maadoitusimpedanssi. Jännite- ja virtamittauksia voidaan sijoittaa samanaikaisesti useampiinkin kohtiin. Kaapeleiden impedansseja mallinnettiin mm. viitteessä [3] esitetyn teorian sekä laskelmien ja PSCAD ympäristössä tehdyn mallinnuksen pohjalta. Tarkastelut perustuivat kaapelointien sähköiseen ja geometriseen mallinnukseen sekä maaperän ominaisuuksiin. PSCASD simuloinnissa syötettiin kaapelimallin läpi virtaa ja laskettiin virran nollapiirissä aiheuttaman jännitehäviön pohjalta impedanssiarvot.

13 Tavoitteena oli päästä kuvaamaan kaapelit resistanssien ja reaktanssien avulla. Tämä tapa soveltuisi simulointiympäristön lisäksi Excel-pohjaisen laskentatyökalun muodostamiseen ja näin pystytään myös verifioimaan tuloksia keskenään. Kuva 4.1. Yksinkertaistettu verkkomalli PSCAD-ympäristössä 4.2 Laskentamallit Excel tai Matlab pohjaisena Excel ympäristössä useamman yhdistettävän maadoituselektrodin tarkastelu tuntui varsin monimutkaiselta. Siksi tässä on päädytty soveltamaan resultoivan maadoitusarvon laskennassa seuraavasti heuristiikkaa: 1. Otetaan ensin huomioon vain maadoitusverkon maadoitusten väliset pitkittäisimpedanssit ja maadoitusresistanssit sekä jätetään pois lisäpotentiaalien mallinnus a. Vikavirta kohdistetaan haluttuun solmuun b. Resultoiva maadoitusimpedanssi tarkasteltavassa kohdassa saadaan solmupisteyhtälöiden ratkaisun jälkeen itseisarvona jännitteen ja virran suhteesta 2. Lasketaan likimääräisesti muiden maadoitusten virtojen aiheuttamat lisäpotentiaalit olettaen, että maadoitusten välisten yhteyksien pitkittäisimpedanssit = a. Laskennassa huomioidaan maadoitusresistanssit, maan resistiivisyys ja maantieteelliset etäisyydet b. Jännite on nyt sama kaikkien maadoitusten yli ja potentiaalien summautumisyhtälöistä voidaan ratkaista maadoitusresistanssi jännitteen ja kokonaisvirran suhteena. c. Lasketaan maadoitusten rinnankytkennän resistanssi ottaen huomioon vain niiden resistanssit. Vähentämällä tämä kohdan b resistanssista saadaan lisäpotentiaaleihin liittyvälle lisäresistanssille approksimoitu arvo. 3. Maadoitusimpedanssille lasketaan likiarvo laskemalla aritmeettisesti yhteen kohdan1 maadoitusimpedanssin itseisarvo ja kohdan 2 lisäresistanssi. Käyttämällä aritmeettista summausta eikä geometrista summausta on pyritty siihen, että tulos olisi mieluummin hieman todellista suurempi kuin pienempi.

14 5. TYYPPIKOHTEET: HAJA-ASUTUSALUE, KYLÄ- TAAJAMA JA TAAJAMA Maadoitustarkasteluja ja -laskelmia varten määriteltiin esimerkkitarkasteluja ja käytettiin mm. kuvassa 5.1 esitettyjen verkkojen tapaisia erilaisia teoreettisia tyyppitapauksia. Perustyyppitapaukset olivat: Haja-asutusalue o 1 muuntamomaadoitusta yhdistettynä galvaanisesti Kylä-taajama o 5 muuntamomaadoitusta yhdistettynä galvaanisesti Taajama o 4...16 muuntamomaadoitusta yhdistettynä galvaanisesti o Sisältää myös silmukkayhteyksiä Kuvassa 5.1 numeroidut neliöt kuvaavat muuntamoita ja muuntamoiden maadoituksia, joiden välillä on galvaanisia yhteyksiä. Haja-asutusalue 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Kylä-taajama 1 2 3 4 5 Taajama 7 8 9 4 5 6 1 2 3 Kuva 5.1 Maadoitusjärjestelmien teoreettisia tyyppitapauksia Verkkojen tarkasteluissa varioitiin seuraavia laskentaparametreja: Muuntamoiden maadoitusresistanssit Kaapelityypit ja -pituudet Muuntamoiden väliset maantieteelliset etäisyydet Maan ominaisresistiivisyys

15 Maadoitustarkastelujen lähtötietoja olivat: Muuntamoiden mitatut ja/tai tavoitteelliset maadoitusresistanssit Maadoitusten väliset maantieteelliset etäisyydet Maaperän resistiivisyys Muuntamoiden välisten kaapeliyhteyksien pituudet Kaapelityypit sekä kaapelityyppien ja maapiirien impedanssiarvot Lähtötiedot pyrittiin valitsemaan siten, että maadoitusten kannalta mahdollisimman vaikeatkin, mutta kuitenkin realistiset, tilanteet tulevat käsitellyksi riittäväksi arvioidussa laajuudessa. Liitteessä 1 on tarkasteltu maadoitusresistanssien valinnan taustalla ollutta aineistoa. Maadoitusresistansseiksi valittiin tarkasteluja varten: - Haja-asutusalue o Normaali maadoitusolosuhde 2 ohm o Vaikea maadoitusolosuhde 5 ohm - Kylä-taajama o Normaali maadoitusolosuhde 1 ohm o Vaikea maadoitusolosuhde 15 ohm - Taajama o Vaihteluväli 2 1 ohm o Yksittäinen case myös 3 ohm Maaperän resistiivisyytenä on käytetty 23 ohmm, 46 ohmm sekä 15 ohmm. Näistä 23 ohmm on arvioitu vastaavan Suomessa jonkinlaista keskitasoa ja 15 ohmm suurehkoa resistiivisyyttä Kaapeloinnin kosketussuojat ja mahdollisen keskusköyden mallintavina resistansseina on käytetty seuraavia arvoja sisältäen paluumaapiirin: AXAL5: AXAL-TT PRO 12/2(24) kv 3x5/25Al 1.25 ohm/km WP95. AHXAMK-WP 3x95 2 kv.68 ohm/km WP15: AHXAMK-WP 3x15 2 kv.62 ohm/km W24: AHXAMK-W 3x24Al+7Cu 2 kv.19 ohm/km Resistansseina on käytetty tasavirtaresistansseja 2 asteen lämpötilassa. Kaapelilla AHXAMK-W 3x24Al+7Cu keskusköyden maadoitusvaikutuksia ei ole otettu huomioon. Jos maadoitusvaikutus otettaisiin huomioon, voisi sillä ehkä olla merkittäväkin resultoivaa maadoitusimpedanssia pienentävä vaikutus. Maadoitushyödystä ei ollut kuitenkaan tarkempaa arviota käytettävissä. Reaktanssina on käytetty simulointien ja laskelmien perusteella arvoa.8 ohm/km. Reaktanssien määrittämistä on käsitelty tarkemmin liitteessä 3.

16 Kaapeleiden impedansseja määritettiin PSCAD simulointiympäristössä tehdyn mallinnuksen ja mm. viitteessä [3] esitetyn teorian pohjalta. Simuloinneissa hyödynnettiin PSCAD:in valmiita kaapelimalleja, joihin päivitettiin tarvittavat lähtötiedot. Impedanssitarkastelut perustuivat kaapelointien sähköiseen ja geometriseen mallinnukseen sekä maaperän ominaisuuksiin. Simuloinneissa syötettiin kaapelin kautta virtaa ja impedanssi saatiin selville jännitehäviön ja virran perusteella. Reaktanssit vaihtelivat tyypillisesti välillä.76.83 riippuen sekä kaapelityypeistä että maan resistiivisyydestä. Maadoituslaskelmissa on käytetty kuitenkin arvoa.8 ohm. Perusteena tähän oli arvio, että vain yhtä reaktanssiarvoa käytettäessä laskentatyön määrä väheni oleellisesti tarkkuuden kärsimättä oleellisesti tämän selvityksen tavoitteiden kannalta. Jatkossa toki voidaan haluttaessa käyttää tarkempiakin lähtötietoja.

17 6. MAADOITUSJÄRJESTELMIEN SIMULOINTI- JA LASKENTATULOKSIA Tässä luvussa esitetään aiemmin esitetylle tyyppiverkoille tehtyjä laskelmia. Laskelmat on tehty sekä PSCAD simuloinneilla että muokatulla Excel laskentatyökalulla. Esitetyt tulokset perustuvat pääosin PSCAD simulointiin. Joitakin vertailevia tuloksiakin kuitenkin esitetään. Excel laskennalla ja PSCAD:illa saadut tulokset olivat lähellä toisiaan. Absoluuttisina arvoina eroja voi kuitenkin pitää käytännön kannalta hyvin vähäisinä. Haja-asutusalueiden ja Kylätaajamien osalta Excel laskennan tulosten ero PSCAD simulointituloksiin verrattuna oli rajoissa -.1 ohm +.1 ohm. Ruudukkomaisissa 4, 9 ja 16 solmun verkoissa ero oli ohm +.1 ohm rajoissa. 6.1 Laskenta-asetelman periaatteita ja johdattelevia laskelmia Laskennan perusasetelma Tässä luvussa esitetään keskeisempiä laskentatuloksia maadoitusjärjestelmätarkasteluista. Kuvassa 6.1 on kuvattu yleisesti laskennan perusasetelmaa, kun keskeisimpänä tuloksena pidetään resultoivaa maadoitusimpedanssia. Periaatteena on, että tarkasteltavaan verkko-osaan syötetään maadoituskohdan ja referenssimaan välille virtaa. Virta Z 12 Z 23 U m Z m1 Z m2 Z m3 Virta U m Z m123 Kuva 6.1 Resultoivan maadoitusimpedanssin muodostaminen

18 Maadoitusten ja referenssimaan kautta kulkeva maavirta aiheuttaa maadoituksen ja referenssimaan välille maadoitusjännitteen Um. Resultoiva maadoitusimpedanssi saadaan jakamalla tämä maadoitusjännite virralla. Resultoivan maadoitusimpedanssin riippuvuus tarkastelukohdasta Kuvassa 6.2 on esitetty maadoitusketjun resultoivan maadoitusarvon riippuvuus tarkastelukohdasta. Havaitaan, että maadoitusketjun suurimmat resultoivat maadoitusimpedanssit ovat ketjun päissä samanlaisten maadoitusten ketjussa. Kiinnostuksen kohteena ovat yleisesti lähinnä huonoimmat resultoivat maadoitukset ja siksi kriittiset tarkastelukohdat ovat yleensä maadoitusjärjestelmän reunoilla. 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 ohm Kuva 6.2. Resultoivan maadoitusimpedanssin riippuvuus tarkastelukohdasta, kun muuntamot ovat 1 km välein toisistaan 1 muuntamon ketjussa. - Muuntamoiden maadoitukset 5 ohm/kpl - Kaapeli AXAL5 Erillisten maadoitusten lukumäärän vaikutus resultoivaan maadoitusimpendanssiin Kuvassa 6.3 on esimerkki maadoitusten lukumäärän vaikutuksesta resultoivaan maadoitusimpedanssiin. Yksittäisten maadoitusten maadoitusresistanssit ovat 2 ohm/kpl. Muuntamot sijaitsevat 1 km välein ja kaapelityyppi on AXAL-TT 3x5. Tarkastelukohta on maadoitusjärjestelmän alussa. Yhden muuntamon maadoitusresistanssi on 2 ohm. Kun siihen yhdistetään toinen muuntamo, pienenee resultoiva maadoitusimpedanssi 48 %:lla 52 %:iin. Tämä on 1.5 ohm ja kolmannen muuntamon lisäyksen jälkeen maadoitusimpedanssi on 38 % ja neljännen jälkeen 31 %. Viidennen maadoituksen lisäämien pienentää maadoitusimpedanssia vain alle 1 ohmilla 28 %:iin verrattuna yhden muuntamon maadoitukseen. Kymmenen muuntamon tapauksessa impedanssi on 25 % verrattuna yhden muuntamon maadoitukseen.

19 Voidaan todeta, että ensimmäisten muuntamoiden yhdistämisellä on varsin suuri vaikutus resultoivaan maadoitusimpedanssiin. Ketjutuksen pidentyessä kuitenkin yksittäisten lisäysten suhteellinen vaikutus alkupäähän pienentyy merkittävästi. 2 Maadoitusimpedanssi ohm 15 1 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Muuntamoiden lukumäärä ketjussa Kuva 6.3. Resultoivan maadoitusimpedanssin riippuvuus 1 km välein ketjussa olevien muuntamoiden lukumäärästä tarkastelukohdan ollessa maadoitusjärjestelmän alussa. 6.2 Haja-asutusalueen laskentatuloksia Kuvissa 6.4 ja 6.5 esitetään tyyppiverkoilla Haja-asutusalue saatuja laskentatuloksia. Maadoitusimpedansseja on laskettu seuraavilla lähtöarvoilla: 1 muuntamon maadoitukset ketjussa Kunkin muuntamon maadoitusarvo on tarkastelussa ensin 2 Ω (normaali maadoitusolosuhde) ja sen jälkeen tehdään tarkastelu 5 Ω (vaikea maadoitusolosuhde) arvoilla Herkkyystarkastelu muuntamoiden etäisyyksien suhteen etäisyyksillä 1 5 km kasvattaen muuntamoiden keskinäistä etäisyyttä tasaisesti 1 km välein Herkkyystarkastelu maaperän resistiivisyyden suhteen 23 15 Ω Tarkasteltavat kaapelityypit ovat AXAL-TT 2 kv 3x5 mm2, AHXAMK-WP 2 kv 3x95 mm2 ja AHXAMK-W 2 kv 24 mm2

2 ohm 1 8 6 4 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Maadoitusketjujen impedansseja 1(4) Resultoiva maadoitus / ohm 1 muuntamon ketjun alkupäässä eri kaapeleilla, Haja-asutusalue, 2 ohm/maadoitus, 1 km välit 23 ohmm 46 ohmm 15 ohmm AXAL5 WP95 W24 ohm 1 8 6 4 2 Resultoiva maadoitus / ohm 1 muuntamon ketjun alkupäässä eri kaapeleilla, Haja-asutusalue, 2 ohm/maadoitus, 2 km välit 23 ohmm 46 ohmm 15 ohmm AXAL5 WP95 W24 ohm 1 8 6 4 2 Resultoiva maadoitus / ohm 1 muuntamon ketjun alkupäässä eri kaapeleilla, Haja-asutusalue, 2 ohm/maadoitus, 3 km välit 23 ohmm 46 ohmm 15 ohmm AXAL5 WP95 W24 ohm 1 8 6 4 2 Resultoiva maadoitus / ohm 1 muuntamon ketjun alkupäässä eri kaapeleilla, Haja-asutusalue, 2 ohm/maadoitus, 5 km välit 23 ohmm 46 ohmm 15 ohmm AXAL5 WP95 W24 Kuva 6.4 Haja-asutusalueen resultoivia maadoitusimpedansseja 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Maadoitusketjujen impedansseja 2(4) Resultoiva maadoitus / ohm 1 muuntamon ketjun alkupäässä eri kaapeleilla, Haja-asutusalue, 5 ohm/maadoitus, 1 km välit 2 Resultoiva maadoitus / ohm 1 muuntamon ketjun alkupäässä eri kaapeleilla, Haja-asutusalue, 5 ohm/maadoitus, 2 km välit 15 15 ohm 1 ohm 1 5 5 23 ohmm 46 ohmm 15 ohmm 23 ohmm 46 ohmm 15 ohmm AXAL5 WP95 W24 AXAL5 WP95 W24 2 15 ohm 1 5 Resultoiva maadoitus / ohm 1 muuntamon ketjun alkupäässä eri kaapeleilla, Haja-asutusalue, 5 ohm/maadoitus, 3 km välit 2 15 ohm 1 5 Resultoiva maadoitus / ohm 1 muuntamon ketjun alkupäässä eri kaapeleilla, Haja-asutusalue, 5 ohm/maadoitus, 5 km välit 23 ohmm 46 ohmm 15 ohmm 23 ohmm 46 ohmm 15 ohmm AXAL5 WP95 W24 AXAL5 WP95 W24 Kuva 6.5 Haja-asutusalueen resultoivia maadoitusimpedansseja

21 Tarkasteluissa tehtiin seuraavia havaintoja: - Kuvassa 6.4 muuntamoiden maadoitukset ovat 2 ohm/kpl ja kuvassa 6.5 5 ohm/kpl - 2 ohm muuntamomaadoituksilla: o 1 2 km muuntamoiden välisillä etäisyyksillä maadoitusjärjestelmien resultoivat maadoitusimpedanssit ovat välillä 4 7 ohm o 1 5 km etäisyyksillä impedanssit vaihtelevat välillä 4 9 ohm. Tämä on 18 47 % yksittäisen muuntamon 2 ohm maadoitusresistanssista. o Välimatkojen kasvattaminen suurentaa impedanssiarvoja. o Kaapelityypin valinnan vaikutukseksi resultoivaan maadoitusimpedanssin pienenemiseen on laskettu enintään 1.5 ohm. o Maan resistiivisyyden vaikutukseksi maaadoitusimpedanssia lisäävänä tekijänä on saatu välillä 23 15 ohmm enintään.8 ohm. - 5 ohm muuntamomaadoituksilla: o 1 2 km muuntamoiden välisillä etäisyyksillä maadoitusjärjestelmien resultoivat maadoitusimpedanssit ovat välillä 6 12 ohm o 1 5 km etäisyyksillä impedanssit vaihtelevat välillä 6 16 ohm. Tämä on 13 32 % yksittäisen muuntamon 5 ohm maadoitusimpedanssista. o Pidemmistä välimatkoista aiheutuu suurempia impedansseja. o Kaapelityypin valinnan vaikutukseksi resultoivaan maadoitusimpedanssin pienenemiseen on laskettu enintään 3.5 ohm. o Maan resistiivisyyden vaikutukseksi maaadoitusimpedanssia lisäävänä tekijänä on saatu välillä 23 15 ohmm enintään.8 ohm. Oleellinen havainto on, että ketjuuntuvassa järjestelmässä resultoiva maadoitusimpedanssi on merkittävästi pienempi kuin tarkasteltavan muuntopiirin oma maadoitusimpedanssi erillisesti tarkasteltuna. Vaihteluväli oli 13 47 % yksittäiseen maadoitukseen verrattuna. Pienimpiin resultoiviin maadoitusimpedansseihin liittyvät yleisesti seuraavat tekijät: - Pienimmät yksittäisten maadoitusten resistanssit - Lyhimmät välimatkat maadoitusten välillä - Pienimmät kaapelointien nollapiirien resistanssit - Pienimmät maaperän resistiivisyydet..

22 6.3 Kylä-taajamien laskentatuloksia Kuvissa 6.6 ja 6.7 esitetään tyyppiverkoilla Kylä-taajama saatuja laskentatuloksia. Maadoitusimpedansseja on laskettu seuraavilla lähtöarvoilla: 5 muuntamon maadoitukset ketjussa Kunkin muuntamon maadoitusarvo on tarkastelussa ensin 1 Ω (vaikea maadoitusolosuhde) ja sen jälkeen tehdään tarkastelu 15 Ω (normaali maadoitusolosuhde) arvoilla Herkkyystarkastelu muuntamoiden etäisyyksien suhteen.5 2 km kasvattaen muuntamoiden keskinäistä etäisyyttä tasaisesti,5 km välein Herkkyystarkastelu maaperän resistiivisyyden suhteen, 23 15 Ω Tarkasteltavat kaapelityypit ovat AXAL-TT 2 kv 3x5 mm2, AHXAMK-WP 2 kv 3x15 mm2 ja AHXAMK-W 2 kv 24 mm2 1 8 6 ohm 4 2 Resultoiva maadoitus / ohm 5 muuntamon ketjun alkupäässä eri kaapeleilla, Kylä-taajama, 1 ohm/maadoitus,.5 km välit 23 ohmm 46 ohmm 15 ohmm ohmm 1 2 3 4 5 ohm 1 8 6 4 2 Resultoiva maadoitus / ohm 5 muuntamon ketjun alkupäässä eri kaapeleilla, Kylä-taajama, 1 ohm/maadoitus, 1 km välit 23 ohmm 46 ohmm 15 ohmm ohmm AXAL5 WP15 W24 AXAL5 WP15 W24 Resultoiva maadoitus / ohm 5 muuntamon ketjun alkupäässä eri kaapeleilla, Kylä-taajama, 1 ohm/maadoitus, 1.5 km välit Resultoiva maadoitus / ohm 5 muuntamon ketjun alkupäässä eri kaapeleilla, Kylä-taajama, 1 ohm/maadoitus, 2 km välit 1 1 8 8 ohm 6 4 ohm 6 4 2 2 23 ohmm 46 ohmm 15 ohmm ohmm 23 ohmm 46 ohmm 15 ohmm ohmm AXAL5 WP15 W24 AXAL5 WP15 W24 Kuva 6.6 Kylä-taajaman resultoivia maadoitusimpedansseja

1 8 6 ohm 4 2 Maadoitusketjujen impedansseja 3(4) Resultoiva maadoitus / ohm 5 muuntamon ketjun alkupäässä eri kaapeleilla, Kylä-taajama, 15 ohm/maadoitus,.5 km välit 23 ohmm 46 ohmm 15 ohmm ohmm 1 2 3 4 5 ohm 1 8 6 4 2 Resultoiva maadoitus / ohm 5 muuntamon ketjun alkupäässä eri kaapeleilla, Kylä-taajama, 15 ohm/maadoitus, 1 km välit 23 ohmm 46 ohmm 15 ohmm ohmm 23 AXAL5 WP15 W24 AXAL5 WP15 W24 Resultoiva maadoitus / ohm 5 muuntamon ketjun alkupäässä eri kaapeleilla, Kylä-taajama, 15 ohm/maadoitus, 1.5 km välit Resultoiva maadoitus / ohm 5 muuntamon ketjun alkupäässä eri kaapeleilla, Kylä-taajama, 15 ohm/maadoitus, 2 km välit 1 1 8 8 ohm 6 4 ohm 6 4 2 2 23 ohmm 46 ohmm 15 ohmm ohmm 23 ohmm 46 ohmm 15 ohmm ohmm Kuva 6.7 AXAL5 WP15 W24 Kylä-taajama resultoivia maadoitusimpedansseja AXAL5 WP15 W24 Tarkasteluissa tehtiin seuraavia havaintoja: - Kuvassa 6.6 muuntamoiden maadoitukset ovat 1 ohm/kpl ja kuvassa 6.7 15 ohm/kpl - 1 ohm muuntamomaadoituksilla: o.5 2 km muuntamoiden välisillä etäisyyksillä maadoitusjärjestelmien resultoivat maadoitusimpedanssit ovat 3-5 ohm. Tämä on 26 48 % yksittäisen muuntamon 1 ohm maadoitusimpedanssista. o Kaapelityypin valinnan vaikutukseksi resultoivaan maadoitusimpedanssin pienenemiseen on laskettu enintään 1. ohm. o Maan resistiivisyyden vaikutukseksi maaadoitusimpedanssia lisäävänä tekijänä on saatu välillä 23 15 ohmm enintään 2. ohm. - 15 ohm muuntamomaadoituksilla: o.5 2 km muuntamoiden välisillä etäisyyksillä maadoitusjärjestelmien resultoivat maadoitusimpedanssit ovat 4 6 ohm. Tämä on 24 4 % yksittäisen muuntamon 15 ohm maadoitusresistanssista. o Kaapelityypin valinnan vaikutukseksi resultoivaan maadoitusimpedanssin pienenemiseen on laskettu enintään 1.4 ohm. o Maan resistiivisyyden vaikutukseksi maaadoitusresistanssia lisäävänä tekijänä on saatu välillä 23 15 ohmm enintään 2. ohm. Oleellinen havainto tässäkin kohdassa on, että ketjuuntuvassa järjestelmässä resultoiva maadoitusimpedanssi on merkittävästi pienempi kuin tarkasteltavan yksittäisen muuntopiirin oma maadoitusimpedanssi erillisesti tarkasteltuna. Vaihteluväli oli 24 5 % yksittäiseen maadoitukseen verrattuna.

24 6.4 Taajamien silmukoidut verkot Silmukoidun verkon laajuuden vaikutus Taajamien silmukoituja verkkoja kuvaavina kohteina käytettiin perustapauksina kuvan 6.8 kaltaisia kohteita, joissa verkon laajuutta on varioitu välillä 4 16 maadoitusta. Kuva 6.8. Silmukoituja taajamien maadoitusjäjestelmiä Kuvissa 6.9 esitetään silmukoidulla ruutumaisilla taajamien 16 solmun tyyppiverkoilla saatuja laskentatuloksia. Muntamoiden maadoitusarvot ovat olleet 2, 3, 5 ja 1 ohm/kpl. Solmuvälejä on vaihdeltu välillä.5 1 km. Maaperän resistiivisyyksinä on käytetty 23 ohmm ja 46 ohmm. Tarkasteltavat kaapelityypit ovat olleet AXAL-TT 3x5 ja AHXAMK-W 3x24+7. Ω 2. 1.8 1.6 1.4 1.2 1..8.6.4.2. Resultoivia maadoitusarvoja 23 ohmm AHXAMK-W 3x24+7 2Ω 3Ω 5Ω 1Ω 2Ω 3Ω 5Ω 1Ω 2Ω 3Ω 5Ω 1Ω Solmuvälit.5 km Solmuvälit.75 km Solmuvälit 1. km Kaapeli AHXAMK-W 3x24+7 ja maan resistiivisyys 23 Ωm Maadoitusruudukkoon yhdistetty 16 kpl 2... 1 Ω maadoituksia Ω 2. 1.8 1.6 1.4 1.2 1..8.6.4.2. Resultoivia maadoitusarvoja 46 ohmm AHXAMK-W 3x24+7 2Ω 3Ω 5Ω 1Ω 2Ω 3Ω 5Ω 1Ω 2Ω 3Ω 5Ω 1Ω Solmuvälit.5 km Solmuvälit.75 km Solmuvälit 1. km Kaapeli AHXAMK-W 3x24+7 ja maan resistiivisyys 46 Ωm Maadoitusruudukkoon yhdistetty 16 kpl 2... 1 Ω maadoituksia Ω 2. 1.8 1.6 1.4 1.2 1..8.6.4.2. Resultoivia maadoitusarvoja 23 ohmm AXAL-TT 3x5 2Ω 3Ω 5Ω 1Ω 2Ω 3Ω 5Ω 1Ω 2Ω 3Ω 5Ω 1Ω Solmuvälit.5 km Solmuvälit.75 km Solmuvälit 1. km Kaapeli AXAL-TT 3x5 ja maan resistiivisyys 23 Ωm Maadoitusruudukkoon yhdistetty 16 kpl 2... 1 Ω maadoituksia Kuva 6.9. Ω 2. 1.8 1.6 1.4 1.2 1..8.6.4.2. Resultoivia maadoitusarvoja 46 ohmm AXAL-TT 3x5 2Ω 3Ω 5Ω 1Ω 2Ω 3Ω 5Ω 1Ω 2Ω 3Ω 5Ω 1Ω Solmuvälit.5 km Solmuvälit.75 km Solmuvälit 1. km Kaapeli AXAL-TT 3x5 ja maan resistiivisyys 46 Ωm Maadoitusruudukkoon yhdistetty 16 kpl 2... 1 Ω maadoituksia 16 maadoituksen taajamaverkon resultoivia maadoitusimpedansseja.

25 Tarkasteluista tehtiin seuraavia havaintoja 16 maadoituksen verkoilla: o Resultoivat maadoitusimpedanssit ovat olleet välillä.7 1.9 ohm. Nämä ovat huomattavasti pienempiä kuin vastaavat yhtä maadoitusta vastaavat arvot 2 1 ohm. o Maadoitusten välimatkojen vaikutus resultoiviin maadoituksiin on enintään +/-.2 ohm eli absoluuttisena arvona melko pieni. o Maan resistiivisyyden vaikutus on enintään.4 ohm. o Kaapelilajin valinnan vaikutukseksi on saatu.2.6 ohm. Kuvassa 6.1 on lisää esimerkkejä 4 16 maadoituksen verkkojen tarkasteluista. Muuntamoiden maadoitusarvot ovat olleet 2, 3, 5 ja 1 ohm/kpl. Solmuvälinä on ollut 1km. Maaperän resistiivisyyksinä on käytetty 23 ohmm. Kaapelityyppinä on ollut AXAL-TT 3x5. Kuvan 6.1 tuloksista tehtiin seuraavia havaintoja 16 maadoituksen verkoilla: o Resultoivat maadoitusimpedanssit ovat välillä.9 3.1 ohm. o 2 ja 3 ohm kohdalla maaadoitusten lukumäärän vaikutus on absoluuttisena arvona melko pieni o Maadoitusten lukumäärän vähentämisen vaikutus korostuu 4 maadoituksen kohdalla kasvaneina maadoitusarvoina Kuva 6.1. 4 16 maadoituksen ruudukkomaisten taajamaverkkojen resultoivia maadoitusimpedansseja. Kuvissa 6.11 ja 6.12 on esitetty resultoivia maadoitusimpedansseja ruudukkomaisille verkoille, joissa on maadoituksia yhdistettynä 1 16 kpl. Muuntamoiden maadoitusarvot ovat olleet 2, 3, 5 ja 1 ohm/kpl. Solmuvälinä on ollut 1km. Maaperän resistiivisyyksinä on käytetty 23 ohmm. Kaapelityyppinä on ollut AXAL-TT 3x5.

26 ohm 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Resultoivat maadoitusimpedanssit 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Maadoitukset ohm/kpl 1 kpl 4 kpl 9 kpl 16 kpl Kuva 6.11. Resultoivia maadoitusimpedansseja ruudukkomaisilla verkoilla, joissa on maadoituksia yhdistettynä 1 16 kpl Resultoivat maadoitusimpedanssit eri solmumäärillä ohm 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 15 16 Solmumäärä 1 ohm/kpl 5 ohm/kpl 3 ohm/kpl 2 ohm/kpl Kuva 6.12. Resultoivia maadoitusimpedansseja ruudukkomaisilla verkoilla, joissa on maadoituksia yhdistettynä 1 16 kpl Seuraavia tuloksia havaittiin kuvista 6.11 ja 6.12: o Selvä tulos on, että resultoivat maadoitusimpedanssit ovat merkittävästi pienempiä kuin tarkasteltavan muuntopiirin oma maadoitusimpedanssi erillisesti tarkasteltuna. o Esimerkiksi 4 kpl 1 ohm maadoituksia yhdistettynä vastaa 3.1 ohm eli 31 % 1 ohm:sta. 16 kpl 1 ohm maadoituksia yhdistettynä vastaa 1.7 ohm eli 17 % 1 ohm:sta. o Solmumäärän vaikutus 16 ja 9 solmun verkkojen välillä absoluuttisena arvona on melko pieni. 5 1 ohm/muuntamo kohdalla ero 4 solmun verkkoihin kasvaa kuitenkin huomattavasti.

27 Kaapeliyhteyksien poiston vaikutus Kuvassa 6.13 on alkutilassa aiemmasta 9 solmun taajamaverkosta hieman modifioitu rakenne. Kuvassa on esitetty myös resultoivia maadoitusimpedansseja sekä silmukoidussa että säteittäisessä maadoitusjärjestelmässä. Tarkastellaan esimerkiksi 1 km solmuväleillä olevia 5 ohm maadoituksia. Silmukkayhteyksien poiston vaikutus näyttää kuvan 6.13 perusteella suhteellisen vähäiseltä. Tarkastelupisteessä 1 silmukoidussa verkossa resultoiva maadoitusimpedanssi on.9 ohm ja säteittäisessä järjestelmässä 1. ohm. Eron ollessa alle 1%. Ω Ω Resultoivia Resultoivia maadoitusarvoja maadoitusarvoja 2. 2. 1.8 1.8 1.6 1.6 1.4 1.4 1.2 1.2 1. 1..8.8.6.6.4.4.2.2.. 2Ω 3Ω 5Ω 1Ω 2Ω 3Ω 5Ω 1Ω 2Ω 3Ω 5Ω 1Ω 2Ω 3Ω 5Ω 1Ω Solmuvälit.5 km Solmuvälit.75 km Solmuvälit 1. km Solmuvälit.5 km Solmuvälit.75 km Solmuvälit 1. km Kaapeli AHXAMK-W 3x24+7 ja maan resistiivisyys 23 Ωm Kaapeli TOMMIN AHXAMK-W SPECIAL 9 3x24+7 kpl 2... 1 ja Ω maan maadoituksia resistiivisyys alkutilassa 23 Ωm 9 kpl 2... 1 Ω maadoituksia lopputilassa alkutilassa Ω Resultoivia maadoitusarvoja 2. 2. 1.8 1.8 1.6 1.6 1.4 1.4 1.2 1.2 1. 1..8.8.6.6.4.4.2.2.. 2Ω 3Ω 5Ω 1Ω 2Ω 3Ω 5Ω 1Ω 2Ω 3Ω 5Ω 1Ω 2ΩSolmuvälit 3Ω 5Ω.5 1Ω km 2Ω Solmuvälit 3Ω 5Ω.75 1Ω km 2Ω Solmuvälit 3Ω 5Ω 1. 1Ω km Kaapeli Solmuvälit AHXAMK-W.5 km 3x24+7 Solmuvälit ja maan resistiivisyys.75 km 23 Solmuvälit Ωm 1. km Kaapeli TOMMIN AHXAMK-W SPECIAL 9 3x24+7 kpl 2... 1 ja Ω maan maadoituksia resistiivisyys lopputilassa 23 Ωm 14 9 kpl 2... 1 Ω maadoituksia alkutilassa lopputilassa 5 6 7 3 4 1 2 Tarkastelupiste 3 4 1 2 5/12/216 8 9 5 6 7 8 9 Kuva 6.13. Kaapeliyhteyksien poiston vaikutus resultoiviin maadoitusimpedansseihin Tarkastelupisteen sijainnin vaikutus Vaihdetaan tarkastelupistettä edellisen tarkastelun pisteestä 1 solmuun 7. Lisäksi solmun 7 maadoitusresistanssi on nyt 3 ohm ja muiden 5 ohm/kpl. Lisäksi kaapelina on nyt AXAL-TT 3x5. Ilman yhteyksien poistoa resultoiva maadoitusimpedanssi olisi solmussa 7 1.7 ohm ja silmukkayhteyksien poiston jälkeen 3.4 ohm. Tarkastelupisteen 1 kannalta vastaavat arvot olisivat 1.3 ohm ja 1.3 ohm. Kuvassa 6.14 solmun 7 maadoitus on nyt 3 ohm ja muiden 5 ohm/kpl. Kuvassa 6.14 on esitetty resultoivan maadoitusimpedanssin suuruus eri solmuissa. Suurin resultoiva

28 maadoitusarvo (3,4 ohmia) on nyt 2.6-kertainen pienimpään verrattuna. Muuntamon omaan maadoitusimpendanssiin verrattuna tulos on kuitenkin pieni tässäkin tapauksessa. Käytännössä ketjumaisissa ja verkottuvissa maadoitusjärjestelmissä eri kohdissa tarkasteltuna resultoivat maadoitusimpedanssit voivat poiketa merkittävästikin toisistaan. Resultoiva maadoitusresistanssi Ω 5 6 7 3 4 1 2 8 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1.5 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Solmun 7 maadoitus on 3 ohm ja muut 5 ohm/kpl Solmuvälit ovat 1 km Kaapeli on AXAL-TT 3x5 Maan resistiivisyys on 23 ohmm Solmu Kuva 6.14. Tarkastelupisteen vaikutus 6.5 11 kv vikavirtojen huomiointi Sähköasemilla käytetään tavallisesti verkkomaista maadoituselektrodia (maadoitusruudukko), johon yhdistetään muun muassa laitteiden maadoitusjohtimet. Maadoitusruudukko yhdistetään myös asemalta lähtevien johtojen ukkosjohtimiin. Lisäksi maadoitusjärjestelmään voidaan liittää tarpeen mukaan vaakamaadoituselektrodeja. Maadoitusruudukon ja siihen liitettyjen muiden maadoituselektrodien avulla huolehditaan siitä, etteivät kosketus- ja askeljännitteet nouse aseman alueella vikatapauksissa liian suuriksi. Asemalta ulos meneviä maadoituselektrodeja käytettäessä on muistettava potentiaalin leviäminen ympäristöön ja siitä mahdollisesti aiheutuvat ongelmat. [4] Maadoitusjärjestelmille asetettavat vaatimukset esitetään standardissa SFS 61 [1] ja siinä kuvatut suurjänniteasennuksia koskevat vaatimukset pätevät sähköasemilla. Maadoitusimpedanssi määräytyy maadoitusruudukon ja siihen liitettyjen muiden elektrodien ja johtimien resultoivana arvona. Viitteen [4] mukaan mittaaminen on ainoa luotettava tapa saada selville maadoitusimpedanssin suuruus. Standardin SFS 61 mukaan Suomen olosuhteissa kannattaa suur- ja pienjännitejärjestelmien maadoitukset yleensä yhdistää. Suurjännitesähköaseman maadoitukset voidaan vaihtoehtoisesti erottaa muista maadoituksista. Esimerkiksi vähintään 11 kv järjestelmän maadoitukset voidaan erottaa aseman ulkopuolisista

29 pienjännitemaadoituksista ja pienjännite- ja suurjännitejärjestelmien yhteisistä maadoituksista, jotta vältetään vähintään 11 kv suurjännitejärjestelmistä pienjännitejärjestelmiin siirtyvät kosketusjännitteet. [1] Mikäli sähköaseman ja keskijänniteverkon maadoitukset ovat olleet erillään tai rakennetaan uusi sähköasema, voi tulla keskijänniteverkon kaapeloinnin yleistyessä ja galvaanisesti yhteen kytkettyjen maadoitusten lisääntyessä ajankohtaiseksi selvittää, olisiko järkevää yhdistää niiden maadoitusjärjestelmät. Vaihtoehdoiksi tulee: 1. Maadoitusjärjestelmät pidetään erillään 2. Selvitetään kaapeloinneista aiheutuvat vaikutukset maadoituksiin. Kaapeloinnin ja galvaanisesti yhdistyvien maadoitusjärjestelmien vaikutuksesta voidaan maadoitusolosuhteiden olettaa paranevan oleellisesti, kun ennestään erilliset järjestelmät kytkeytyvät yhteen. Tarvittaessa voidaan tällöin myös pienentää 11 kv maavirtoja tai muulla tavoin pienentää yhdistyvien maadoitusten resultoivaa maadoitusimpedanssia. Ohjausryhmän keskusteluissa arvioitiin 11 kv sähköasemien maasulkuvirtojen vaihtelualueeksi 5 ka. Vikavirtojen suuruuden takia maadoitusten yhdistäminen voi muodostua useita toimenpiteitä vaativaksi, mutta toisaalta jo pelkkä maadoitusten yhdistäminen voi pienentää maadoitusolosuhteita oleellisesti. Tällöin on syytä tehdä tapauskohtainen tarkastelu. Sähköasemien maadoitusjännitettä voi pienentää parantamalla maadoitusta tai pienentämällä vikavirtoja. 11 4 kv asemilla voidaan maadoitusjännitettä alentaa myös pienentämällä maasulkuvirtaa syöttävien johtojen reduktiokertoimia. Ilmajohtojen ukkosjohtimet ja maakaapeleiden metallivaipat osallistuvat vikavirtojen johtamiseen, ts. osa virtapiirin maasulkuvirrasta kulkee niiden kautta. Suurjännitejärjestelmän maadoituksen kautta kulkee vain osa vikavirrasta. Tätä maavirran pienenemistä kuvataan reduktiokertoimen avulla. Reduktiokertoimin vaikuttaa ukkosköysien rakenne ja kaapeloinnin toteutus. [1] Myös maadoituselektrodeja voidaan lisätä ja jakeluverkon maadoituksia voidaan parantaa tarpeen mukaan. Sähköaseman maadoitustarkastelu sisältää pääpiirteittäin seuraavia vaiheita: - Noudatetaan standardin SFS 61 vaatimuksia. - Sähköasemalla tapahtuvassa 11 kv yksivaiheisen vian tarkastelussa perustietoina ovat: o 11 kv verkon vikavirran suuruus ja kestoaika o Maadoitusverkon rakenne o Ukkosköysien ja kaapelien reduktiokertoimet - Määritetään vikavirrasta maadoitukseen menevä maavirta soveltaen SFS 61 mukaisesti reduktiokertoimia.

- Määritetään maadoitusimpedanssi ottaen huomioon sähköaseman maadoitukset ja keskijänniteverkon maadoitusten kytkeytyminen. - Määritetään maadoitusjännite. - Varmistetaan, että maadoitusjännite täyttää SFS 61 kosketusjännitteeseen perustuvat ehdot. Tarvittaessa tukeudutaan SFS 61 mukaisiin toimenpiteisiin. - Mahdollisesti joudutaan arvioimaan myös keinoja reduktiokertoimien pienentämiseksi, jotta maavirtaa saataisiin pienennettyä. Myös verkon maadoituksia voidaan parantaa lisämaadoituksilla. 3

31 7. Johtopäätökset Selvitystyössä paneuduttiin maadoitusjärjestelmien sähkötekniseen mallintamiseen teoreettisesti ja laadittiin laskentamalleja. Maadoitustarkasteluja ja -laskelmia varten määriteltiin esimerkkitarkasteluja ja käytettiin mm. teoreettisia tyyppitapauksia. Perustyyppitapaukset olivat: Haja-asutusalue o 1 muuntamomaadoitusta yhdistettynä galvaanisesti peräkkäin ketjuksi Kylä-taajama o 5 muuntamomaadoitusta yhdistettynä galvaanisesti peräkkäin ketjuksi Taajama o 4...16 muuntamomaadoitusta yhdistettynä galvaanisesti toisiinsa ruudukkomuodossa ja sisältäen myös silmukkayhteyksiä Verkkojen tarkasteluissa varioitiin seuraavia laskentaparametreja: Muuntamoiden maadoitusresistanssit Kaapelityypit ja -pituudet Muuntamoiden väliset maantieteelliset etäisyydet Maan ominaisresistiivisyys Maadoitustarkastelujen lähtötietoja olivat: Muuntamoiden mitatut ja/tai tavoitteelliset maadoitusresistanssit Maadoitusten väliset maantieteelliset etäisyydet Maaperän resistiivisyys Muuntamoiden välisten kaapeliyhteyksien pituudet Kaapelityypit sekä kaapelityyppien ja maapiirien impedanssiarvot Lähtötiedot pyrittiin valitsemaan siten, että maadoitusten kannalta vaikeatkin, mutta kuitenkin realistiset, tilanteet tulivat käsitellyksi riittäväksi arvioidussa laajuudessa. Haja-asutus alueilla resultoivat yhdistetyt maadoitukset vaihtelivat välillä 4 16 ohm, kun yksittäiset maadoitukset erillisinä tarkasteltuina olivat 2 5 ohm. Kylä-taajamien alueilla resultoivat yhdistetyt maadoitukset vaihtelivat välillä 3-6 ohm, kun yksittäiset maadoitukset erillisinä tarkasteltuina olivat 1-15 ohm.

32 Taajamien alueilla resultoivat yhdistetyt maadoitukset vaihtelivat välillä.7 1.9 ohm, kun yksittäiset maadoitukset erillisinä tarkasteltuina olivat 2 1 ohm. Tulosten perusteella voidaan todeta, että keskijännitekaapeleiden kosketussuojien sekä mahdollisten kaapelien keskusköysien kautta yhdistyvissä maadoitusverkoissa yksittäisten muuntopiirien maadoituksilla on laskentatulosten perusteella olennainen vaikutus laajempaan maadoitusjärjestelmään ja muiden muuntamoiden resultoiviin maadoitusimpedansseihin. Tulos on merkittävä maadoitusverkon suunnittelun kannalta. Kaapeliverkon maadoitussuunnittelussa ei pitäisi tarkastella yksittäisten muuntopiirien maadoituksia vain erikseen, vaan kaapelien kosketussuojien ja kaapelien keskusköysien ym. johtimien kautta yhdistyvää maadoitusjärjestelmää olisi syytä tarkastella laajempana kokonaisuutena. Etenkin haja-asutusalueen osalta ketjuuntuvissa järjestelmissä resultoivat maadoitukset olivat tarkastelluissa tyyppitapauksissa merkittävästi pienempiä kuin tarkasteltavan muuntopiirin oma maadoitus. Yhteen kytkeytyvät ketjumaiset ja verkottuvat maadoitusjärjestelmät tukevat toisiaan ja vaikuttavat yhteisiin maadoitusarvoihin nopeasti verkoston laajentuessa. Resultoiva maadoitusarvo pienenee muuntamoiden lukumäärän lisääntyessä ja selkeästi suurin vaikutus on ensimmäisten maadoitusten yhdistämisellä. Muuntamomäärän kasvaessa yksittäisen muuntamon absoluuttinen vaikutus pienenee oleellisesti. Maadoitusjärjestelmän muodostuessa useammasta kuin yhdestä toisiinsa yhdistetystä paikallisesta maadoitusjärjestelmästä ovat maadoitusimpedanssit ja maadoitusjännitteet erisuuruisia eri kohdissa. Laskentatulosten perusteella suurimmat resultoivat impedanssit löytyvät homogeenisen maadoitusketjun päistä. Ketjun keskiosissa resultoiva impedanssi oli alempi kuin reunoilla. Laskentatuloksiin sisältyy laskentamenetelmien ja lähtötietojen epätarkkuuden takia aina epävarmuutta. Käytännön tasolla maadoitustarkastelujen tulosten hyödyntäminen tulee varmentaa riittävästi standardin SFS 61 edellyttämillä mittauksilla ja muilla tavoilla. Galvaanisesti yhteen kytkeytyvien keskijänniteverkon maadoitusjärjestelmien lisääntyminen pienentää oleellisesti resultoivia maadoitusimpedansseja. Tällöin myös edellytykset 11 kv sähköasemien ja keskijänniteverkon maadoitusten yhdistämiseen paranevat. Käytännössä mahdollinen toteutustapa on tarkasteltava tapauskohtaisesti.